航空零件的电子束焊接方法及电子束焊接装置与流程

1.本发明涉及电子束焊接技术领域，特别地，涉及一种航空零件的电子束焊接方法。此外，本发明还涉及一种包括上述航空零件的电子束焊接方法的电子束焊接装置。


背景技术：

2.焊接是机械制造领域的关键技术之一，特别是在核电、石油化工、汽车、航空航天等领域中有着广泛的应用。焊接技术中的电子束焊接是一种高能束焊接，最大的功率密度可达107‑
109w/cm2，并且电子束焊接还具备氧化少、变形小及质量高等特点，因此电子束焊接广泛应用于航空和航天等领域中。
3.由于电子束焊接的能量非常集中，且其电子束流光斑的直径很小，导致电子束焊缝很窄，因此，电子束焊接对于焊前的装配间隙要求极高，焊前装配间隙一般都很小，且由于焊接时电子束流需要精确地打在待焊焊缝的中央位置，否则焊缝的质量将会大受影响，因此焊接过程中对于找正焊缝的要求很高。
4.然而，现有的一种平面上包含多条圆形焊缝的航空零件通过电子束流焊接时，由于圆形焊缝轨迹的圆心与零件的外轮廓圆心通常不在同一条轴线上，导致电子束焊接时找正过程繁琐，操作难度高、加工效率低，而一旦未找正焊缝，导致电子束焊接的质量下降，使零件出现未溶合和未焊透等焊接缺陷甚至是报废。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种航空零件的电子束焊接方法及电子束焊接装置，以解决现有的零件通过电子束焊接时找正繁琐、操作难度高以及加工效率低的技术问题。
6.根据本发明的一个方面，提供一种航空零件的电子束焊接方法，圆形焊缝轨迹的圆心与零件的外轮廓圆心处于不同轴线上，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过测量零件上的待焊圆形焊缝，获取零件的待焊圆形焊缝的测量直径；(2)将零件固定于电子束焊接设备的工作台上并抽取真空，使电子束焊接设备的工作腔内达到预设真空度；(3)沿x轴和y轴移动工作台，以使电子枪发出的小束流对准待焊圆形焊缝的切点a；(4)切点a为y轴或y轴的平行线与待焊圆形焊缝相切的点，根据测量直径并以切点a为原点沿x轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点b，并获取切点b的x轴坐标值x1，沿x轴移动再沿y轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点c，以切点c为原点沿y轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点d，并获取切点d的y轴坐标值y1，沿y轴移动以获得待焊圆形焊缝的半径和圆心e，待焊圆形焊缝的半径为(x1 y1)/4；或者切点a为x轴或x轴的平行线与待焊圆形焊缝相切的点，根据测量直径并以切点a为原点沿y轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点b，并获取切点b的y轴坐标值y1，沿y轴移动再沿x轴移动工作
台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点c，以切点c为原点沿x轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点d，并获取切点d的x轴坐标值x1，沿x轴移动以获得待焊圆形焊缝的半径和圆心e，待焊圆形焊缝的半径为(x1 y1)/4；(5)根据待焊圆形焊缝的半径和圆心e设置焊接参数和焊接程序，然后开启焊接程序，电子枪发出电子束流焊接零件。
7.进一步地，步骤以使电子枪发出的小束流对准待焊圆形焊缝的切点a之后，还包括以下步骤，通过相机观察小束流在零件待焊圆形焊缝上的光斑，根据光斑的大小使用微调手轮沿光斑靠近待焊圆形焊缝的中央位置的方向移动工作台，以使光斑对准待焊圆形焊缝的中央位置；和/或步骤使小束流对准待焊圆形焊缝的切点b之后，还包括以下步骤，通过相机观察小束流在零件待焊圆形焊缝上的光斑，根据光斑的大小使用微调手轮沿光斑靠近待焊圆形焊缝的中央位置的方向移动工作台，以使光斑对准待焊圆形焊缝的中央位置；步骤使小束流对准待焊圆形焊缝的切点c之后，还包括以下步骤，通过相机观察小束流在零件待焊圆形焊缝上的光斑，根据光斑的大小使用微调手轮沿光斑靠近待焊圆形焊缝的中央位置的方向移动工作台，以使光斑对准待焊圆形焊缝的中央位置；步骤使小束流对准待焊圆形焊缝的切点d之后，还包括以下步骤，通过相机观察小束流在零件待焊圆形焊缝上的光斑，根据光斑的大小使用微调手轮沿光斑靠近待焊圆形焊缝的中央位置的方向移动工作台，以使光斑对准待焊圆形焊缝的中央位置。
8.进一步地，微调手轮的微调精度为0.01mm
‑
0.001mm。
9.进一步地，焊接参数包括：加速电压u＝140
±
14kv，聚焦电流：i＝2.215
±
0.221a，焊接电流i＝10
±
1ma，焊接速度f＝500
±
50mm/min。
10.进一步地，小束流的工作电流为0.01ma
‑
0.03ma。
11.进一步地，预设真空度的取值范围为1.0
×
10
‑4pa
‑
1.0
×
10
‑6pa。
12.进一步地，步骤(1)之前，还包括以下步骤；首先去除零件待焊圆形焊缝处的氧化层，然后将零件待焊圆形焊缝处擦拭干净。
13.进一步地，零件的装配间隙的大小范围为0.02mm
‑
0.10mm。
14.进一步地，零件的待焊圆形焊缝的直径的大小范围为2mm
‑
1000mm。
15.根据本发明的另一方面，还提供了一种电子束焊接装置，采用上述的航空零件的电子束焊接方法。
16.本发明具有以下有益效果：
17.本发明的航空零件的电子束焊接方法，通过测量零件上的待焊圆形焊缝，获取零件的待焊圆形焊缝的测量直径，然后将零件固定于电子束焊接设备的工作台上，通过抽真空装置抽取真空，使电子束焊接设备的工作腔内达到预设真空度，确保电子枪能产生小束流和电子束流；根据数控系统的xy轴坐标系，沿x轴和y轴移动工作台，使小束流与零件之间发生相对运动，经移动工作台，以使电子枪发出的小束流对准待焊圆形焊缝的切点a，切点a为y轴或y轴的平行线与待焊圆形焊缝相切的点，根据测量直径并以切点a为原点沿x轴快速移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点b，而过切点并垂直于切线的线段经过圆心，而圆上过圆心的线段的中点为待焊圆形焊缝的圆心；进而获取切点b的x轴坐标值x1，沿x轴移动再沿y轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点c，以切点c为原点沿
y轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点d，进而获取边界点d的y轴坐标值y1，沿y轴移动工作台，以获得待焊圆形焊缝的半径和圆心e，待焊圆形焊缝的半径为(x1 y1)/4；；相应地，当切点a为x轴或x轴的平行线与待焊圆形焊缝相切的点时，先沿y轴移动工作台，再沿x轴移动工作台，快速获取待焊圆形焊缝的半径和圆心e。再根据待焊圆形焊缝的轨迹设置焊接参数，电子枪根据焊接参数开启电子束流完成零件的焊接。本方案在电子束焊接过程中，通过待焊圆形焊缝的上的四个切点和测量直径，迅速找到待焊圆形焊缝的半径和圆心e，使电子枪发出的小束流对正待焊圆形焊缝，以使电子枪发出的电子束流可以精准的打在待焊圆形焊缝上，提高电子束焊接质量，避免零件出现未溶合和未焊透的焊接缺陷，且四点找正法基于圆自身的性质，工作原理容易理解，找正过程简单，操作难度低，大大提高了零件电子束焊接的加工效率，缩短了零件的加工周期。
18.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
19.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1是本发明优选实施例的航空零件的电子束焊接方法中待焊接的航空零件的结构示意图；
21.图2是本发明优选实施例的航空零件的电子束焊接方法的流程框图。
具体实施方式
22.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
23.图1是本发明优选实施例的航空零件的电子束焊接方法中待焊接的航空零件的结构示意图；图2是本发明优选实施例的航空零件的电子束焊接方法的流程框图。
24.如图1和图2所示，本实施例的航空零件的电子束焊接方法，圆形焊缝轨迹的圆心与零件的外轮廓圆心处于不同轴线上，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过测量零件上的待焊圆形焊缝，获取零件的待焊圆形焊缝的测量直径；(2)将零件固定于电子束焊接设备的工作台上并抽取真空，使电子束焊接设备的工作腔内达到预设真空度；(3)沿x轴和y轴移动工作台，以使电子枪发出的小束流对准待焊圆形焊缝的切点a；(4)切点a为y轴或y轴的平行线与待焊圆形焊缝相切的点，根据测量直径并以切点a为原点沿x轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点b，并获取切点b的x轴坐标值x1，沿x轴移动再沿y轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点c，以切点c为原点沿y轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点d，并获取切点d的y轴坐标值y1，沿y轴移动以获得待焊圆形焊缝的半径和圆心e，待焊圆形焊缝的半径为(x1 y1)/4；或者切点a为x轴或x轴的平行线与待焊圆形焊缝相切的点，根据测量直径并以切点a为原点沿y轴移动工作台，使小束流对准待
焊圆形焊缝的切点b，并获取切点b的y轴坐标值y1，沿y轴移动再沿x轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点c，以切点c为原点沿x轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点d，并获取切点d的x轴坐标值x1，沿x轴移动以获得待焊圆形焊缝的半径和圆心e，待焊圆形焊缝的半径为(x1 y1)/4；(5)根据待焊圆形焊缝的半径和圆心e设置焊接参数和焊接程序，然后开启焊接程序，电子枪发出电子束流焊接零件。具体地，本发明的航空零件的电子束焊接方法，通过测量零件上的待焊圆形焊缝，获取零件的待焊圆形焊缝的测量直径，然后将零件固定于电子束焊接设备的工作台上，通过抽真空装置抽取真空，使电子束焊接设备的工作腔内达到预设真空度，确保电子枪能产生小束流和电子束流；根据数控系统的xy轴坐标系，沿x轴和y轴移动工作台，使小束流与零件之间发生相对运动，经移动工作台，以使电子枪发出的小束流对准待焊圆形焊缝的切点a，切点a为y轴或y轴的平行线与待焊圆形焊缝相切的点，根据测量直径并以切点a为原点沿x轴快速移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点b，而过切点并垂直于切线的线段经过圆心，而圆上过圆心的线段的中点为待焊圆形焊缝的圆心；进而获取切点b的x轴坐标值x1，沿x轴移动再沿y轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点c，以切点c为原点沿y轴移动工作台，使小束流对准待焊圆形焊缝的切点d，进而获取边界点d的y轴坐标值y1，沿y轴移动工作台，以获得待焊圆形焊缝的半径和圆心e，待焊圆形焊缝的半径为(x1 y1)/4；；相应地，当切点a为x轴或x轴的平行线与待焊圆形焊缝相切的点时，先沿y轴移动工作台，再沿x轴移动工作台，快速获取待焊圆形焊缝的半径和圆心e。再根据待焊圆形焊缝的轨迹设置焊接参数，电子枪根据焊接参数开启电子束流完成零件的焊接。本方案在电子束焊接过程中，通过待焊圆形焊缝的上的四个切点和测量直径，迅速找到待焊圆形焊缝的半径和圆心e，使电子枪发出的小束流对正待焊圆形焊缝，以使电子枪发出的电子束流可以精准的打在待焊圆形焊缝上，提高电子束焊接质量，避免零件出现未溶合和未焊透的焊接缺陷，且四点找正法基于圆自身的性质，工作原理容易理解，找正过程简单，操作难度低，大大提高了零件电子束焊接的加工效率，缩短了零件的加工周期。应当理解的是，x轴和y轴为数控系统自带的坐标系。
25.如图2所示，本实施例中，步骤以使电子枪发出的小束流对准待焊圆形焊缝的切点a之后，还包括以下步骤，通过相机观察小束流在零件待焊圆形焊缝上的光斑，根据光斑的大小使用微调手轮沿光斑靠近待焊圆形焊缝的中央位置的方向移动工作台，以使光斑对准待焊圆形焊缝的中央位置。具体地，通过微调手轮微调小束流照射于零件上的光斑，使小束流的精准的打在待焊圆形焊缝的中央位置，进一步提高待焊圆形焊缝的轨迹获取后的精确度，进而提高电子束焊接质量，当光斑的面积最小时，光斑即对准待焊圆形焊缝的中央位置。
26.如图2所示，本实施例中，步骤使小束流对准待焊圆形焊缝的切点b之后，还包括以下步骤，通过相机观察小束流在零件待焊圆形焊缝上的光斑，根据光斑的大小使用微调手轮沿光斑靠近待焊圆形焊缝的中央位置的方向移动工作台，以使光斑对准待焊圆形焊缝的
中央位置。具体地，通过微调手轮微调小束流照射于零件上的光斑，使小束流的精准的打在待焊圆形焊缝的中央位置，进一步提高待焊圆形焊缝的轨迹获取后的精确度，进而提高电子束焊接质量，当光斑的面积最小时，光斑即对准待焊圆形焊缝的中央位置。
27.如图2所示，本实施例中，步骤使小束流对准待焊圆形焊缝的切点c之后，还包括以下步骤，通过相机观察小束流在零件待焊圆形焊缝上的光斑，根据光斑的大小使用微调手轮沿光斑靠近待焊圆形焊缝的中央位置的方向移动工作台，以使光斑对准待焊圆形焊缝的中央位置。具体地，通过微调手轮微调小束流照射于零件上的光斑，使小束流的精准的打在待焊圆形焊缝的中央位置，进一步提高待焊圆形焊缝的轨迹获取后的精确度，进而提高电子束焊接质量，当光斑的面积最小时，光斑即对准待焊圆形焊缝的中央位置。
28.如图2所示，本实施例中，步骤使小束流对准待焊圆形焊缝的切点d之后，还包括以下步骤，通过相机观察小束流在零件待焊圆形焊缝上的光斑，根据光斑的大小使用微调手轮沿光斑靠近待焊圆形焊缝的中央位置的方向移动工作台，以使光斑对准待焊圆形焊缝的中央位置。具体地，通过微调手轮微调小束流照射于零件上的光斑，使小束流的精准的打在待焊圆形焊缝的中央位置，进一步提高待焊圆形焊缝的轨迹获取后的精确度，进而提高电子束焊接质量，当光斑的面积最小时，光斑即对准待焊圆形焊缝的中央位置。
29.本实施例中，微调手轮的微调精度为0.01mm
‑
0.001mm。应当理解的是，当微调手轮的微调精度处于0.01mm
‑
0.001mm之间时，能精确地对准在焊缝的中央，这对于保证电子束焊接的质量十分有必要，同时调节速度快，零件加工效率高；当微调手轮的微调精度大于0.01mm时，工作台的最小移动距离过大，无法对小束流的光斑进行有效的调节，待焊圆形焊缝的轨迹的精确度无法保证；当微调手轮的微调精度小于0.001mm时，工作台的最小移动距离过小，无法快速完成小束流的光斑的微调，且操作难度大，零件加工效率低。
30.如图2所示，本实施例中，焊接参数包括：加速电压u＝140
±
14kv，聚焦电流：i＝2.215
±
0.221a，焊接电流i＝10
±
1ma，焊接速度f＝500
±
50mm/min。应当理解的是，当焊接速度f处于450mm/min
‑
550mm/min之间时，电子枪的焊接速度合适，保证了焊接质量；当焊接速度f小于450mm/min时，电子束在同一轨迹点上的焊接时间增长，有可能导致电子束焊穿零件，降低了焊接质量，且延长了焊接时间，降低了工作效率；当焊接速度f大于550mm/min时，电子束在同一轨迹点上的焊接时间减短，导致电子束未焊透零件，降低了焊接质量。
31.如图2所示，本实施例中，小束流的工作电流为0.01ma
‑
0.03ma。应当理解的是，当小束流的工作电流处于0.01ma
‑
0.03ma之间时，小束流的亮度合适，便于观察小束流是否对准边界点，且在小束流对正过程中，不会对零件表面造成损伤，保证零件质量；当小束流的工作电流大于0.01ma时，小束流对零件表面造成损伤，导致零件报废；当小束流的工作电流小于0.03ma时，小束流的亮度低，观察难度大，无法保证待焊圆形焊缝的轨迹的精确度，进而降低了电子束焊接质量。
32.如图2所示，本实施例中，预设真空度的取值范围为1.0
×
10
‑4pa
‑
1.0
×
10
‑6pa。应当理解的是，当预设真空度处于1.0
×
10
‑4pa
‑
1.0
×
10
‑6pa之间时，电子枪能正常工作，以完成零件的焊接，且抽取真空的速度合适，零件加工效率高；当预设真空度小于1.0
×
10
‑4pa时，电子枪无法发出电子束流，进而无法焊接零件；当预设真空度大于1.0
×
10
‑6pa，抽真空设备需要大量的时间抽取真空，零件加工效率低。
33.如图2所示，本实施例中，步骤(1)之前，还包括以下步骤；首先去除零件待焊圆形
焊缝处的氧化层，然后将零件待焊圆形焊缝处擦拭干净。具体地，首先采用砂纸取出零件待焊圆形焊缝处的氧化层，然后用干净的白绸布蘸酒精或者丙醇将零件待焊圆形焊缝处擦拭干净。
34.如图2所示，本实施例中，零件的装配间隙的大小范围为0.02mm
‑
0.10mm。应当理解的是，当零件的装配间隙的大小处于0.02mm
‑
0.10mm之间时，电子束焊接的质量高；由于电子束焊接形成的焊缝很窄，当零件的装配间隙大于0.10mm时，电子束的焊接质量难以保证；当零件的装配间隙小于0.02mm时，对零件的装配要求过高。
35.如图2所示，本实施例中，零件的待焊圆形焊缝的直径的取值范围为2mm
‑
1000mm。具体地，当待焊圆形焊缝的直径处于2mm
‑
1000mm之间时，电子束焊接设备能容纳零件，且零件的焊接速度合适；当待焊圆形焊缝的直径小于2mm时，电子束移动速度过快，电子束焊接质量低；当待焊圆形焊缝的直径大于1000mm时，电子束焊接设备无法容纳零件，无法焊接零件。
36.本实施例的电子束焊接装置，采用上述的航空零件的电子束焊接方法。电子束焊接设备包括工作腔室、安装于工作腔室内的工作台、安装于工作腔室内的电子枪、与电子枪连接的控制系统以及分别与工作台和控制系统连接的机械泵。具体地，将零件安装于工作台上，控制系统在零件表面建立xy轴坐标系，控制系统控制电子枪发出小束流照射于零件上，机械泵带动工作台运动，以使小束流对准零件待焊圆形焊缝的圆心，控制系统获取零件的待焊圆形焊缝的轨迹，并根据待焊圆形焊缝的轨迹设置电子枪的焊接参数，控制系统根据待焊圆形焊缝的轨迹控制机械泵运动，进而控制工作台的运动，然后，电子枪发出电子束流对零件进行焊接。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。